Але у цій революції є і обмеження. На відміну від кабельних систем, де лінії можуть створюватися до тих пір поки вони не заполонять все небо, кожна безкабельні система вимагає власної унікальної смуги обмеженого спектра радіочастот. Для практичного використання цей спектр фізично обмежений смугою від декількох сотень кілогерц до тисячі і більше мегагерц. Щоб отримати найбільш повну віддачу від відведеного діапазону радіоспектра, безкабельні система повинна бути ретельно хронометрувати і синхронізована. Це важке завдання, оскільки відлік часу може зажадати мікросекундної точності для базових станцій, розміщених на дуже великих географічних просторах.
На щастя, є надзвичайно просте і економічно ефективне рішення в вигляді "GPS-годин". "GPS-годинник" - це комбінація GPS-приймача і прецизійного генератора. GPS використовується для корекції (калібрування) генератора, щоб усунути малі зміщення частоти, що генерується. "GPS-годинник" можуть синхронізувати як відлік часу системи так і частоту приймача і практично безвідмовні. Достатньо подати електроенергію, щоб вони генерували сигнали точного часу, і при цьому ніколи не вимагали повторного калібрування. Надзвичайно важливо, що сучасне увагу GPS-технологій до масового виробництва виробів для ринку автомобільних навігаційних систем різко знизило вартість GPS обладнання. Це дозволяє здійснювати інтеграцію GPS-приймачів у багато програм, що вимагають високоточних підсистем відліку часу.
Пейджинг дає хороший приклад для розуміння того, наскільки синхронізація відліку часу важлива в безкабельного технологіях. Більшість з нас коли-небудь посилали або отримували повідомлення. Це проста процедура. Ви телефонуєте в пейджинговую компанію, Вас запитують номер абонента і повідомлення, і ви вішаєте трубку. Повідомлення надіслане, і, при успіху, Ваш абонент відповідає. За цим криється те, що кожна вишка в системі посилає одне і теж повідомлення одночасно. Система будується на тому, що сигнал буде досягати приймача всюди, де б він не знаходився в зоні обслуговування компанії, навіть якщо приймач розташовується в глибині будівлі. Ймовірно, коли Ви отримуєте Ваше повідомлення, воно досягне Вас від двох або навіть трьох різних вишок. Якщо сигнали були синхронізовані, повідомлення може бути отримано і оголошено два або три рази.
Точність, яка потрібна пейджингового вежі всього близько мікросекунди, що легко забезпечується GPS. Типова компоновка на передавальної пейджингового вишці використовує "інтелектуальну-антену": GPS-приймач і антену в єдиному захищеному від кліматичних впливів блоці. Провайдери пейджингових послуг воліють такі антени, тому що вони прості при монтажі і надійно працюють в складних радіочастотних умовах пейджингового вишки.
Вартість комплекту (кабель - 75 футів) - 2.931 у.о.
Пейджингові вишки можуть бути синхронізовані від щосекундних синхроимпульсов (PPS), які є стандартним виходом багатьох GPS-приймачів. Може здатися, що точність GPS в ± 600 наносекунд занадто висока для цього застосування, але іншого способу для забезпечення безвідмовного і економічно ефективного відліку часу просто не існує.
Вартість комплекту (кабель - 5 м) - 347 у.о.
Для забезпечення працездатності цієї методики два пункти мережі повинні бути дуже точно і надійно синхронізовані за часом. З огляду на, що швидкість поширення радіохвиль дорівнює швидкості світла, помилка у визначенні часу в одну наносекунду відповідає помилку у визначенні місця розташування близько 30 см. При погіршенні синхронізації між вишками, TDOA-вимірювання стають неточними, гіперболи "розмиваються", і помилка визначення місця розташування відповідно збільшує. GPS-годинник при кожній вишці мережі легко синхронізують стільникову мережу з точністю не гірше 100 наносекунд або 30 м за місцем розташування.
Більшість користувачів думає про GPS як про засіб визначення місця розташування, але сузір'я 24 супутників - це ще й прекрасний зразок часу. Кожен супутник містить дві пари рубідієвих і цезієвих атомного годинника. Вони контролюються по атомних годинниках на Землі, а вся система безперервно калибруется за світовим стандартом часу - універсального координованого часу (Universal Time Coordinated, UTC). Радіонавігаційна сигнал, такий як у GPS, природно створений як тимчасової сигнал, тому досить просто використовувати GPS як "атомний годинник в небі".
Сигнал від кожного супутника дуже точний. Точність вимірювання - краще ніж одна наносекунд. Помилки моделювання атмосфери можуть становити до 50 наносекунд в складі загальної помилки. Безперечно, найбільше джерело помилок - код обмеженого доступу (Selective Availability. SA). Міністерство Оборони навмисно погіршує точність GPS, змушуючи повільно дрейфувати частоту супутникових годин GPS. При наявності SA, в сигнал кожного супутника вноситься помилка синхронізації, рівна приблизно 100 наносекунд (1s), і помилка частоти, що дорівнює приблизно 10 -8. При відсутності SA, помилки синхронізації були б в кращому випадку приблизно 10 наносекунд і помилка частоти майже 10 -10. За умови гарного огляду неба, багатоканальний GPS-приймач може осередненою помилки від SA по семи або восьми супутників, зменшуючи ефект SA майже в три рази (Малюнок 2).
Вищезазначена точність відповідає мікросекундних вимогу точності відліку часу в пейджингового індустрії, використовуючи при цьому стандартні GPS-приймачі з виведенням інформації один раз в секунду. З іншого боку, вимога-"пережиток" технології CDMA, є набагато більш важким технічним умовою на точність. Це вимагає не тільки високого ступеня точності відліку часу, але також і дуже точного калібрування частоти, що мінімізує дрейф генератора під час тривалих періодів відсутності сигналів GPS. Перше покоління GPS-годин використовувало дорогі рубідієві генератори, щоб виконати цю вимогу. Рубідієві генератори з конкурентноспроможної ціною продаються приблизно по $ 3000 і вимагають регулярного обслуговування і заміни. Оскільки технологія CDMA бореться з технологіями TDMA і AMPS за частку на загальному ринку, то кожен блок, який входить в базову станцію CDMA, повинен бути по можливості найбільш конкурентноспособен.
При наявності SA, сигнал GPS є поганим джерелом еталонної частоти. Навіть при відсутності SA, GPS за своєю природою не є досить стійким, щоб забезпечити еталонну частоту для технології CDMA. Атомні генератори і навіть багато кварцові генератори, забезпечують на коротких інтервалах більш стабільну частоту, ніж GPS. Проте, всі генератори дрейфують, якісь більше, якісь менше, ніж інші. В кінцевому рахунку, навіть складний цезієвий генератор буде дрейфувати від UTC. Навпаки, GPS як би утримується на короткому повідку, і в той час як відбуваються короткочасні відходи вперед і назад, в довгостроковому плані система завжди калібрувати в межах декількох сотень наносекунд щодо UTC.
GPS-годинник використовують довготривалу стабільність GPS і об'єднують її з хорошою короткоперіодичної стабільністю якісних кварцового (XO) або рубідієвого (Rb) генераторів. Як говорилося вище, ці генератори мають сигнал дуже високої якості на короткому інтервалі часу, але матимуть тенденцію до відходу над більш тривалих періодах. Догляд може контролюватися шляхом м'якого управління генератором від GPS (Малюнок 3). Середня частота генератора на деякому інтервалі часу може вимірюватися GPS. Точність цього виміру дорівнює точності відліку часу GPS (SA, 100 наносекунд, 1s) поділеній на інтервал часу осереднення. На періодах часу в кілька хвилин, це вимір настільки грубо, що не може калібрувати генератор досить точно. На більш тривалих інтервалах усереднення, що становлять близько 1000 секунд, точність калібрування наближається до 10 -10 (100 нсек / 1000 с). Для точного калібрування, генератор повинен бути стабільний, тобто зміщення частоти має бути відносно постійно на інтервалі вимірювання.
При наявності GPS-приймача, який контролює довготривалий догляд, порівняно недорогий) генератор спеціального виготовлення (ovenized, OCXO) досягає високого рівня як короткостроковій так і довготривалої стабільності. Нещодавно виробники кварцового генератора відповіли на вимогу систем CDMA, розробивши стабільний генератор OCXO- технології (double-oven). Цей генератор, за умови, що він періодично коригується від GPS, здатний підтримувати частоту на тривалих інтервалах часу навіть при відсутності сигналів GPS. Його ціна нижче рубідієвого генератора, він має набагато ширший температурний діапазон і значно більш тривалий термін служби.
Цей генератор меншої вартості породив друге покоління більш простих і менш дорогих GPS-годин. Зниження вартості і підвищення надійності надзвичайно істотно для успіху CDMA-систем на ринку. Без економічного способу синхронізації вишок по всій країні і в світі CDMA-системи залишилися б тільки експериментальної технологією.
Подібно першого покоління GPS-годин, годинник другого покоління використовують автономний GPS-приймач, який виводить сигнал один раз в секунду (РРS). Цей PPS-сигнал порівнюється з PPS-сигналом, отриманим з виходу OCXO, і різниця від фазового компаратора використовується мікропроцесором, щоб управляти OCXO (Малюнок 4). Це - дієздатний проект, але є ще кращий спосіб, щоб побудувати цю "мишоловку".
Третє покоління GPS-годин продовжує тенденцію зниження ціни. У розробці третього покоління, показаної на малюнку 5, OCXO і GPS-приймач тепер жорстко пов'язані на єдиній друкування платі. 10 MHz частота від спеціального (double-oven) кварцового генератора використовується безпосередньо як джерело відліку часу для цифрового процесора сигналу GPS і чіпа вхідного каскаду радіочастоти (RF front end chip). Більш того, єдиний мікропроцесор виконує функції і GPS-приймача і управління годинами. У розробках першого і другого поколінь, точність сигналу PPS-виходу становить від 40 до 100 нсек, що обмежує точність GPS-годин. У розробках третього покоління, генератор безпосередньо порівнюється з сигналом GPS без використання PPS-виходу, дозволяючи наблизити точність до теоретичних меж.
GPS-годинник третього покоління також ідеальні для позиціонування в системі E911. При цьому немає ніякого спеціального вимоги як в CDMA-застосуванні, тому може використовуватися менш дорогий кварцовий спеціалізований генератор (single-oven). Проте, як і раніше дуже важлива надійність системи. B головний виграш GPS-годин третього покоління полягає у високій надійності, що стала можливою завдяки високому ступеню інтеграції.